以“温度与触觉受体的发现”为情境的命题与思考

黄林军

(广东省惠州市综合高级中学)

《中国高考评价体系》要求高考试题要依托真实的问题情境,考试内容要考查学生生物学学科核心素养。笔者在教学中以2021年诺贝尔生理学或医学奖“温度与触觉受体的发现”作为问题情境进行试题命制,训练的角度主要包括:细胞膜的成分及作用、物质跨膜运输、基因指导蛋白质的合成、神经调节和体温调节、实验与探究拓展等,以促进学生学科核心素养的形成,提高解题能力。

1.细胞膜的成分及作用

温度受体TRPV1和触觉受体Piezo是一类存在于细胞膜表面,能够接受外界刺激并介导离子进入细胞从而产生动作电位的蛋白质,以此为情境命制试题考查学生对细胞膜的成分及其功能的理解是非常好的素材。

例1.触觉受体Piezo由三个相同的Piezo蛋白组成“螺旋桨状”三聚体,能直接响应细胞膜上的机械力刺激并介导阳离子进入细胞,进而使细胞产生动作电位。Piezo的结构模式图及作用机理如图1所示,下列相关说法正确的是

图1

( )

A.Piezo蛋白镶嵌在磷脂双分子层表面,参与物质运输

B.Piezo受体“螺旋桨状”三聚体属于生物大分子

C.Piezo是位于细胞膜上的蛋白质,可以控制离子进出细胞,体现了细胞膜的流动性

D.当接受压力时,Piezo受体结构发生变化,导致其失活

参考答案：B

试题分析：从题干信息及图1可知触觉受体Piezo蛋白存在于细胞膜上,贯穿磷脂双分子层,具有离子通道蛋白的作用,A错误;受体Piezo本质是蛋白质,属于生物大分子,B正确;Piezo控制物质进出细胞的过程,体现了细胞膜的选择透过性的功能特点,C错误;受压力刺激时,Piezo受体结构发生变化,离子通道打开,Na+等阳离子进入细胞从而使细胞产生动作电位,D错误。

2.物质跨膜运输

温度受体TRPV1和触觉受体Piezo发挥作用的关键是其作为离子通道蛋白控制离子进出细胞,从而产生动作电位,与必备知识物质跨膜运输的考查角度高度契合,考查的关键能力包括理解能力和获取信息的能力,科学思维包括比较和分类、归纳与演绎、建立模型等。

陈小华：任何一个行业都是这样，开始时万众瞩目，视频网站、分类信息、O2O、团购，包括现在的人工智能都曾经成为浪潮，从业者前赴后继纷纷关注；然后行业进入洗牌探索期，很多人开始唱衰这个行业，行业内也开始沉默，比如团购行业当年在这个阶段也都在唱衰美团和大众点评；在第三个阶段，开始有人发现，这个行业原来还有存活的企业在慢慢崛起。

例2.TRPV1是一种热敏受体,同时是一种通道蛋白,能被辣椒素和43 ℃以上的刺激激活引起Ca2+、Mg2+和Na+等阳离子内流,如图2所示。下列说法错误的是

图2

( )

A.Ca2+、Mg2+和Na+通过TRPV1内流都属于协助扩散

B.当细胞发生Ca2+内流时,外界环境温度高于43℃

C.辣椒素自由扩散进入细胞,猜测其为小分子或脂溶性物质

D.TRPV1既具有识别功能,还具有物质运输的功能

参考答案：B

试题分析：TRPV1能被辣椒素和43 ℃以上的刺激激活引起Ca2+、Mg2+和Na+等阳离子内流,说明TRPV1具有识别功能,同时是一种离子通道,通过离子通道进行物质的运输方式为协助扩散,即A与D正确,B错误;由图2可知辣椒素穿过磷脂双分子层进入细胞内侧与TRPV1结合,其跨膜运输方式为自由扩散,而通过自由扩散进行运输的物质主要包括两大类,一类是水或气体(O2、CO2等)等小分子,一类是脂溶性物质(乙二醇、甘油等),C正确。

3.基因指导蛋白质的合成

温度受体TRPV1和触觉受体Piezo的本质是蛋白质,其合成由基因指导完成,可以通过基因沉默的方法发现并研究该受体的功能。在命题设置中,我们可以考查中心法则的相关知识和实验与探究能力。

例3.大卫·朱莉叶斯及其团队从大鼠能对疼痛、热和触觉产生反应的感觉神经元中提取了约16 000种mRNA,并利用这些mRNA逆转录形成双链DNA片段,随后将DNA导入受体细胞中,并检测受体细胞对辣椒素的反应,最终发现辣椒中的辣椒素、胡椒中的胡椒碱以及43℃以上热刺激可以激活神经细胞,引起疼痛感,这与存在于口腔和皮肤等区域细胞上的一种辣椒素受体(TRPV1)有关。下列说法正确的是

( )

A.HIV首次侵入细胞时,逆转录所需的逆转录酶源自该细胞的核糖体

B.将该基因导入细胞中引起的变异类型属于基因重组,基因型为Aa的豌豆自交产生aa后代的变异也是基因重组

C.从该感觉神经元提取出的mRNA,逆转录形成的DNA片段,与该细胞的对应DNA片段相同

D.若提取的16 000种mRNA是该细胞内所有的mRNA,那么有些mRNA可能不是染色质基因转录而来

参考答案：D

试题解析：HIV是逆转录病毒,感染宿主细胞后用自身所携带的逆转录酶将RNA逆转录成DNA后整合进入宿主细胞的DNA中,再开始进行子代病毒的增殖,自身所携带的逆转录酶来自上一任宿主细胞,A错误;基因型为Aa的豌豆自交产生aa的基因型子代只涉及一对等位基因,无基因重组,B错误;从该感觉神经元提取出的mRNA,逆转录形成的DNA片段称为cDNA,与原DNA片段相比少了内含子序列,C错误;若提取的16 000种mRNA是该细胞内所有的mRNA,那么有些mRNA可能是由细胞质DNA转录而来,D正确。

4.神经调节和体温调节

温度与触觉受体作为感受器的一部分参与神经调节和体温调节,本素材可作为考查神经调节和体温调节的信息载体。

例4.2021年诺贝尔生理学或医学奖授予了发现温度与触觉受体的大卫·朱莉叶斯教授和阿德姆·帕塔普蒂安教授,温度受体TRPV1是一种热敏受体,同时是一种通道蛋白,能被辣椒素或43℃以上的刺激激活而产生动作电位,进而产生痛觉。下列相关说法错误的是

( )

A.TRPV1被激活时,可能是受到了43℃以上的热刺激

B.食用辣椒之后,在口腔的灼热感未消失之前,喝下50℃的水,可以增强灼热感

C.使用药物使TRPV1蛋白暂时失活,能在手术麻醉上有重要作用

D.在室温下,吃冰冻过的辣椒不会产生疼痛感

参考答案：D

试题解析：辣椒素和43℃以上刺激均能激活TRPV1受体,两种刺激同时刺激可以加强动作电位,因此会加强灼热感,A和B正确;TRPV1是痛觉受体,使用药物使其失活后会使感受器无法产生兴奋,从而可以应用于手术麻醉,C正确;室温下吃冰冻的辣椒依然存在辣椒素的刺激,同样会产生疼痛感,D错误。

5.实验探究与拓展

实验探究及其拓展可以从发现温度和触觉受体的科学史实验中探究命题素材,如“发现温度受体的实验过程中控制变量” “触觉受体发现的实验中筛选基因的过程中某些基因作为无关变量的操作” “温度受体TRPV1发现的过程使用的假说—演绎法”等,也可以基于温度与触觉受体相关知识而设计实验探究活动。

例5.(武汉模拟,节选)2021年诺贝尔生理学或医学奖颁给了发现温度和触觉感受器的两位科学家。研究表明,TRPV1是一种阳离子通道蛋白,辣椒素和43 ℃以上的高温都能激活TRPV1,激活后引起细胞内Ca2+浓度升高,从而产生辣或烫的感觉。(已知在静息状态下,细胞外Ca2+浓度高于细胞内,此状态会抑制Na+内流)。

研究表明,炎症因子IL-6也会使TRPV1通透性增强,引起痛觉。为验证镇痛药枸杞多糖(LBP)能通过抑制IL-6的释放发挥药效,将离体神经元和能释放IL-6的胶质细胞共同培养。对照组和LBP组均用辣椒素处理,检测神经元内Ca2+信号变化,结果如图3。该实验还不足以验证假设,原因是对照组在加入辣椒素后胞内Ca2+明显增加,LBP组几乎无变化,仅能说明________。完善实验还需要补充检测________。

图3

参考答案：LBP可降低(抑制)TRPV1的功能 两组培养液中IL-6的含量

试题分析：根据实验目的和对照实验分析,该实验结果显示,对照组在加入辣椒素后胞内Ca2+明显增加,而LBP组几乎无变化,仅能说明LBP可降低(抑制)TRPV1的功能,不能说明LBP通过抑制IL-6的释放发挥药效;应该补充检测两组培养液中IL-6的含量,以判断LBP对IL-6释放的影响;该实验是验证性实验,其结果应该是LBP组(实验组)IL-6的含量明显低于对照组。

6.总结

教学中使用新的情境素材、新的科研成果和观点,有利于学生对学科前沿进展有一定的了解,以此为契机教师可鼓励学生形成关注学科进展、关注时事热点的习惯和意识。如历届诺贝尔生理学与医学奖(2021年温度和触觉受体的发现、2020年新型基因编辑技术、2019年细胞感知并适应氧气变化的作用机制)等。这些都是常用的命题情境,分析其命题视角,在实践和探索中完善命题角度,参考优秀的命题作品,提升对试题命制过程和命题思路的理解,命制一系列考查角度的试题,达到帮助学生了解高考试题命题规律,提高解题思维的目标。